راهکارهای GaN: بسته‌های کوچک با چالش‌های رادار بزرگ روبرو می‌شوند

راهکارهای GaN: بسته‌های کوچک با چالش‌های رادار بزرگ روبرو می‌شوند

رادار باند ایکس (۸ گیگاهرتز تا ۱۲ گیگاهرتز) یک قطعه کلیدی و مناسب برای ناوبری تجاری است. هوانوردی یکی از کاربردهای اصلی تجهیزات رادار باند ایکس است و این تجهیزات همچنین در طیف گسترده‌ای از کاربردها، از جمله پهپادها، کنترل ترافیک کشتی‌های دریایی، نظارت بر آب و هوا، نظارت بر فعالیت پرندگان در نزدیکی فرودگاه‌ها و سنجش از دور برای جلوگیری از یخ‌زدگی، به کار گرفته می‌شوند.

طبق گزارش شرکت تحقیقات بازار Strategy Analytics، رادار باند X بزرگترین بخش بازار رادار است. فروش رادارها در این باند در سال ۲۰۱۸ نزدیک به ۶.۳ میلیارد دلار بود و انتظار می‌رود هزینه‌های مربوطه با نرخ رشد مرکب سالانه ۳.۴ درصد افزایش یابد و در سال ۲۰۲۸ به ۸.۷ میلیارد دلار برسد.

اما هر رادار باند ایکسی فرصت‌های رشد قابل توجهی ندارد. سیستم‌های آرایه اسکن الکترونیکی فعال (AESA) به طور فزاینده‌ای برای تحقیق و توسعه محبوب هستند. این سیستم عمدتاً در پلتفرم‌های بزرگ هوایی استفاده می‌شود، اما در بخش‌های بازار زمینی و دریایی نیز کاربرد دارد.

چالش AESA

سیستم‌های AESA از آرایه‌های فعال استفاده می‌کنند که هر کدام صدها یا حتی هزاران آنتن دارند. هر آنتن کنترل فاز و بهره مخصوص به خود را دارد. تداخل یا برهم‌نهی جبهه‌های موج منفرد عناصر آنتن، امواج صفحه‌ای ایجاد می‌کند و عملاً پرتویی از امواج رادیویی را تولید می‌کند که در جهت خاصی حرکت می‌کنند. سیستم‌های راداری AESA با تغییر فاز عناصر آنتن، پرتو را به صورت الکترونیکی هدایت می‌کنند.

عناصر آنتن معمولاً به اندازه نصف طول موج از هم فاصله دارند تا میزان قرارگیری در معرض میدان نزدیک کاهش یابد. رادارهای AESA همچنین اغلب نیاز به انتشار سیگنال‌ها در طیف وسیعی از فرکانس‌های بالا دارند. چنین چابکی فرکانسی به رادار اجازه می‌دهد تا به سرعت اهداف را در این بخش جستجو کند. این امر همچنین تشخیص آنها را در میان نویزهای پس‌زمینه دشوارتر می‌کند. این امر به کشتی‌ها و هواپیماها اجازه می‌دهد تا سیگنال‌های راداری پرقدرت را منتشر کنند و در عین حال پنهان‌کاری خود را حفظ کنند و مصونیت بیشتری در برابر تداخل ایجاد کنند.

این الزامات چالش‌های متعددی را برای مهندسان ایجاد می‌کند: هر عنصر آنتن باید به اندازه کافی کوچک و سبک باشد تا بتواند فاصله طول موج‌های کوچک را در خود جای دهد، در حالی که اندازه و وزن کلی سیستم را برای استفاده در هوا و دریا قابل کنترل نگه دارد. با این حال، بسته به کاربرد، سیستم رادار باید به اندازه کافی قدرتمند باشد تا از چند صد وات تا 100 کیلووات خروجی داشته باشد. بنابراین، سیستم‌های رادار به قابلیت‌های اتلاف حرارت کارآمد نیاز دارند که باعث افزایش اندازه و وزن می‌شود.

در میان بسیاری از این موارد استفاده، لازم است کهاندازه، وزن، توان و هزینه (SWaP-C)سیستم را ارزیابی کنید. جایگزینی تنها چند قطعه در سیستم تأثیر زیادی بر این ملاحظات نخواهد داشت. بنابراین، فناوری‌هایی که سیستم‌های راداری AESA را فعال می‌کنند باید مزایای قابل توجهی در بهبود SWaP-C نشان دهند.

فناوری فعال‌سازی: GaN

فناوری که می‌تواند به طراحان رادار کمک کند تا بر چالش‌های بسیاری مانند توان، اتلاف گرما، وزن و اندازه و مقرون‌به‌صرفه بودن غلبه کنند، نیترید گالیوم (GaN) است. این ماده تحرک الکترونی بالایی دارد. و در مقایسه با سیلیکون، دستگاه‌های مبتنی بر GaN بار گیت کم و ظرفیت خروجی کمی دارند و می‌توانند در فرکانس‌های بالاتر، بهره‌های بالاتری را با کارایی بیشتری تولید کنند.

GaN دارای شکاف انرژی وسیع و میدان الکتریکی شکست بحرانی بسیار بالایی است که قابلیت اطمینان عالی در دمای بالا، استحکام فوق‌العاده در ولتاژهای تغذیه بالا و چگالی توان عالی را به همراه خواهد داشت.

استفاده از کاربید سیلیکون (SiC) به عنوان زیرلایه GaN می‌تواند به انبساط حرارتی کمتر، عدم تطابق شبکه کمتر و رسانایی حرارتی عالی دست یابد و در نتیجه از ویژگی‌های GaN به طور کامل استفاده کند. رسانایی حرارتی SiC پلی‌اتیلن نیمه‌عایق 4H، 430 W/mK است، در حالی که رسانایی حرارتی سیلیکون به کمی 146 W/mK است. این امر چگالی توان بسیار بالایی را در عین اتلاف موثر گرما فراهم می‌کند و از دماهای کانال شدید که دستگاه را غیرقابل استفاده می‌کند، جلوگیری می‌کند.

بنابراین، تقویت‌کننده گالیوم نیترید روی سیلیکون کاربید (GaN-on-SiC) در رادار AESA می‌تواند به عملکرد بالاتر و توان خروجی معادل در حجم کمتر دست یابد و در عین حال در نیازهای اتلاف گرما صرفه‌جویی کند. اما برای تحقق مزایای بهبود یافته SWaP-C، باید از نظر فناوری دستگاه کارهای بیشتری انجام شود.

کپسوله‌سازی کلید اصلی است

توسعه بیشتر آرایه‌های فازی، مانند سیستم‌های راداری AESA، نیازمند کاهش اندازه و ادغام دقیق‌تر اجزا خواهد بود.

یکی از این فناوری‌ها، مدار مجتمع مایکروویو یکپارچه (MMIC) است که امکان ساخت ماژول‌های عملکردی کامل از چندین قطعه را در یک دستگاه واحد فراهم می‌کند و در نتیجه تراکم مدار را افزایش می‌دهد. MMICها همچنین مزایای دیگری از جمله کاهش عدم تطابق قطعات، کاهش تأخیر سیگنال (به دلیل فاصله کمتر بین قطعات در MMICها) و کاهش هزینه کلی مواد اولیه (BoM) را دارند.

MMIC در بسته‌بندی Quad Flat No-Lead (QFN) موجود است که مزایای کاهش هزینه و اندازه بیشتری را ارائه می‌دهد. از آنجا که بسته‌بندی QFN از سیم‌های اتصال کوتاه استفاده می‌کند که به کاهش اندوکتانس سرب کمک می‌کند، پد قالب مسی نمایان آن عملکرد حرارتی عالی را ارائه می‌دهد.

دستگاه Wolfspeed CMPA901A020S در بسته‌بندی QFN 6 میلی‌متری موجود است. این یک تقویت‌کننده توان بالای 20 واتی GaN-on-SiC است که می‌تواند در محدوده فرکانسی 9 گیگاهرتز تا 10 گیگاهرتز کار کند و برای کاربردهای رادار پالسی مانند رادار آب و هوای دریایی مناسب است. بهره سه مرحله‌ای این تقویت‌کننده، بیش از 30 دسی‌بل بهره سیگنال بزرگ و بیش از 50٪ راندمان را فراهم می‌کند که نیاز به برق DC سیستم را کاهش داده و راه‌حل‌های مدیریت حرارتی سیستم را ساده می‌کند.

Wolfspeed CMPA9396025S یکی دیگر از MMICهای GaN است که می‌تواند فناوری‌های زیادی را برای به حداکثر رساندن بهبود SWaP-C ادغام کند. این قطعه‌ی رده‌ی سوم که برای عملکرد 9.3 گیگاهرتز تا 9.6 گیگاهرتز طراحی شده است، در بسته‌بندی QFN 6 × 6 میلی‌متری موجود است.توان ۲۵ وات در پهنای پالس ۱۰۰ میکروثانیه و چرخه کاری ۱۰٪ است.

سری تقویت‌کننده‌های MMIC سری Wolfspeed CMPA801B030 که در محدوده فرکانسی 7.9 گیگاهرتز تا 11 گیگاهرتز کار می‌کنند، پهنای باند وسیع‌تر و توان بالاتری را در باند X فراهم می‌کنند. مقدار خروجی معمول آن تا 40 وات، بهره سیگنال بزرگ آن بیش از 20 دسی‌بل و راندمان توان افزوده آن به 40٪ می‌رسد. این خانواده محصول در QFN قالب‌گیری شده پلاستیکی 7 × 7 میلی‌متری تولید می‌شود و در بسته‌های فلنج‌دار نصب شده فلزی/سرامیکی 10 پین و قالب بدون روکش موجود است که منجر به افزایش عملکرد الکتریکی و حرارتی می‌شود.

▲ Wolfspeed CMPA801B030 در قالب‌های ساده و بسته‌های بسیار فشرده موجود است و بهبودهای SWaP-C را به حداکثر می‌رساند.

توجه: ECCN تمام دستگاه‌های ذکر شده در بالا 3A001.b.2 است.

توانمندسازی تغییرات فناوری رادار

استراتژی آنالیتیکس معتقد است که دستگاه‌های GaN ذکر شده در بالا به ترویج پذیرش سریع‌تر رادارهای AESA در پلتفرم‌های متنوع و رو به رشد کمک خواهند کرد و هزینه‌های GaN روی سیستم‌های راداری از ۱۷۱.۸ میلیون دلار آمریکا در سال ۲۰۱۸ به ۷۳۴.۱ میلیون دلار آمریکا در سال ۲۰۲۸ افزایش خواهد یافت.


این محتوا از اینترنت/CREE گرفته شده است. این وب‌سایت فقط امکان چاپ مجدد را فراهم می‌کند. دیدگاه‌ها، موضع، فناوری و غیره این مقاله هیچ ارتباطی با این وب‌سایت ندارد. در صورت وجود هرگونه تخلف، لطفاً برای حذف آن با ما تماس بگیرید!